基于GPS的电网状态监测系统的设计与实现

1、 522000年6月25日Jun . 25, 2000基于GPS 的电网状态监测系统的设计与实现苗世洪1, 王少荣1, 刘沛1, 程时杰1, 付维生2, 王建雄2(11华中科技大学电力工程系, 武汉430074; 21湖南省电力调度通信局, 长沙410007摘要:介绍了一种新型的基于全球定位系统(GPS , 点的电压相量、, 度中心, 实现了全网运行状况的实时监测。关键词:电力系统; ; 工作节拍中图分类号:0引言大型电力系统中功角稳定性、电压稳定性、频率动态变化及其稳定性都不是一个孤立的现象, 而是相互诱发、相互关联的统一物理现象的不同侧面, 其间的关联又会受到网络结构及运行状态的影响。其中

2、母线电压相量和功角状况是系统运行的主要状态变量, 是系统能否稳定运行的标志, 必须进行精确监测。由于电力系统地域广阔、设备众多, 其运行变量变化也十分迅速, 获取系统关键点的运行状态信息必须依赖于统一的、高精度的时间基准, 这在过去是完全不可能的。全球定位系统(GPS 的出现和计算机、通信技术的迅速发展, 为实现全电网运行状态的实时监测提供了坚实的基础。本文将重点介绍基于GPS 的湖南电网状态监测系统的方案设计及实现方法。该系统已通过动模试验, 各项技术指标已达到运行要求, 且部分功能模块已在现场试运行。图1中, 主站位于湖南省电力调度中心, 子站暂时选取了2个有代表性的重要站点, 子站1是湖

3、南凤滩水电厂, 子站2是云田500kV 变电站, 它们分别由相角及功角测量装置、时间同步装置、通信系统及工控机组成。为了保证实时性, 主站与各子站之间的通信信道采用专用微波信道。2基于GPS 的高精度时间同步装置基于GPS 的高精度时间同步装置是整个监测系统的基础部件, 它为全系统提供高精度的时间基准。GPS 接收机输出信号通过解码后, 一个通道输出1个秒脉冲(PPS 信号, 其脉冲前沿与国际标准时间(U TC 的同步误差不超过1s ; 另一通道为串口输出, 在每个秒脉冲发出后, 广播绝对时间, 即年、月、日、时、分、秒, 并由显示部件显示1。其时间同步装置的系统结构如图2所示 。1基于GPS

4、 的电网状态监测系统结构系统结构如图1所示 。图2基于GPS 的时间同步装置硬件结构F ig 12Hardware di agram of ti m e synchronous dev ice based on GPS图1基于GPS 的电网状态监测系统结构F ig 11Block di agram of power syste m st ates m on itor i ng syste m based on GPS收稿日期:1999212202; 修回日期:2000201212。在图2中, 82541的作用有2个:一是提供2个秒脉冲之间(即1s 内 的脉冲计数; 另一个是将GPS 20的PP

5、S (其脉宽为10%, 即100m s 信号转变为脉宽为1m s 的窄脉冲信号, 以提供给82542。对于82542, 它将82541测得的1s 之内的计数值 应用研究及成果苗世洪等基于GPS 的电网状态监测系统的设计与实现53作为基值, 将其进行80等分, 以获得80H z 信号, 并将其余数部分进行分摊处理(因8254晶振频率选为8M H z , 不会对每一方波产生较大误差 , 以防误差积累, 从而可得82542的时间常数, 每当新的PPS 到来时, 使82542输出脉冲与其同步一次, 即可得到精确的与PPS 高度同步的时间同步信号, 即80H z 的标准方波信号。需要指出的是, 该同步装

6、置既考虑了GPS 由于外界干扰可能造成同步脉冲消失, 又防止了突变干扰信号被误认为同步信号现象的发生2。压变换器后, 进行低通滤波, 一方面经整形, 另一方面经A D 变换送工控机, 整形后得到的电压方波信号与80H z 的标准方波信号进行比相, 即可得到电压相角, 经A D 变换送入工控机后可得到电压幅值。变电站将数据处理结果“贴上”时间标签后, 通过M odem 送往调度中心 。3:一类为发电厂子站, 。311发电厂子站图3为单机无穷大系统的功角测量系统图。发电机G 的功角为空载电势E q 与无穷大系统母线U s 之间的夹角, 记为 。图4变电站子站工作原理基本框图F ig 14Block

7、 di agram of the subst ation4状态监测子站及实时通信系统主站的任务是收集处理各子站传送来的信息, 并直观地显示其结果, 以便运行人员实时了解全网的运行情况, 除此之外, 还具有相量和功角的数据记录、报表及打印功能。主站与远方子站的数据交换问题是实现系统实时监测的关键之一。我们采用了主从机结构(即主站或从站的计算机与含有双口RAM 的通信板构成的主从结构 , 如图5所示。子站PC 机(工控机 负责采集电厂(变电站 的各种数据, 并存入双口RAM 中; 中心站PC 机(工控机 负责收集各子站的运行状态信息并进行快速判断推理, 给出系统运行的稳定性情况。工作过程如下:当工

8、作节拍(即脉冲, 由时间同步装置产生 上升沿到来时, PC 机中断, 进入处理程序, 将各种采样参数进行快速计算并放入双口RAM 的特定区域, 由89C 51将其数据通过串行口8251经微波信道送往电网调度中心。由于GPS 时钟的统一性, 中心站计广告图3单机无穷大系统功角测量系统图F ig 13Structure of the phase angle m on itor i ngfor si ngle -mach i ne i nf i n ite -bus syste m要完成功角测量, 必须解决2个问题:一是由于无穷大系统母线一般离发电机很远, 因此要解决2个异地相量的相位比较问题; 另

9、一个是发电机并网运行时, E q 是不可测的, 因此必须找到一个与它具有恒定相位关系的量来替代3。利用将电压互感器(TV 输出电压进行整形, 与80H z 的标准方波信号进行比相即可得到U s 与V G 之间的相位差, 从而解决了第1个问题; 解决第2个问题的方法是, 利用转子位置与空载电势在相位上的对应关系, 用转子位置信号代替空载电势参与相应比较(转子位置信号靠装设在转子上的位置传感器获得 , 通过推导1可以获得发电机功角, 其值等于发电机空载时的转子位置信号与发电机端电压的相位差1, 4。除此之外, 发电厂子站还将有关P , Q , U , I , f 等实时信息送往电网调度中心。312

10、变电站子站变电站子站主要监测高压母线三相电压相量及频率, 其原理框图如图4所示。高压母线经TV 和电 54大学出版社(Changsha :N ati onal U niversity of D efense T echno logy P ress , 19962王少荣, 孙海顺, 苗世洪, 等(W ang Shao rong , Sun H aishun , M iao Sh ihong , et al . 同步发电机功角高精度测量方法及其实现(H igh P recisi on M easurem ent fo r Ro to r A ngle of the Synch ronous Gen

11、erato r and Its I mp lem entati on . 中国机械工程(Ch ina M echanical Engineering , 1999, 10(63W ing R rt . ronized Samp lingM r and Contro l .449, 9(1 :442康庆平, 等(L u Zh igang , H ao Yushan ,Kang Q ingp ing , et al . 电力系统相角测量和应用(Pow er System Phase A ngle M easurem ent and A pp licati on . 电力系统自动化(A utom a

12、ti on of E lectric Pow er System s , 1997, 21(45苗世洪, 王少荣, 刘沛, 等(M iao Sh ihong , W angShao rong , L iu Pei , et al . 利用双口RAM 实现主机与远方多个子机的实时数据交换问题研究(A Study of the R eal 2T i m e D ata Exchange Betw een Center Computer and R emo te Computer Based on D ual Po rt RAM . 计算机工程与应用(Computer Engineering and

13、 A pp licati on , 1999, 35(116苗世洪, 王少荣, 刘沛, 等(M iao Sh ihong , W angShao rong , L iu Pei , et al . GPS 接收及远传器的设计与实现(D esign and R ealizati on of the GPS R eceiver T rans m itter . 电子计算机与外部设备(Computer &Peri pherals , 1999, 23(5 苗世洪, 男, 博士研究生, 副教授, 主要研究方向为电力系统智能控制、继电保护。王少荣, 男, 博士研究生, 副教授, 主要研究方向为电

14、力系统运行与控制。刘沛, 女, 教授, 博士生导师, 研究方向为电力系统智能控制与继电保护。图5含有双口RA M 的通信板原理框图F ig 15Block di agram of the co mm un icationblock i ncludi ng dual port RA M(。工作节拍0125s , 01125s 等, 视微波信道与通信数据的长短而定。必须指出, 电网的状态监测要求数据具有较高的实时性和同步性, 工作节拍在这里具有特别的意义, 它是指其上升沿送到PC 机时, PC 机要立即进入中断, 然后由89C 51单片机完成通信工作, 整个过程必须在一个工作节拍内完成, 下一工作

15、节拍上升沿到来时, 就意味着要进行新一轮状态信息的处理和传送5, 6。5结语基于GPS 的湖南电网状态监测系统是一个可靠的、高性能的实时状态监测系统, 它能实时地反映全网关键点的母线电压相量和主要发电机的功角, 为调度中心的正确决策提供可靠依据, 并可为电力系统暂态稳定控制奠定基础。参考文献1张守信(Zhang Shouxing . GPS 卫星测量定位理论与应用(GPSM easurem ent and A pp licati on . 长沙:国防科技THE D ESIGN AND I M PL E M ENTAT I ON OF THE GPS BASED REAL -T I M E MO

16、N IT OR INGS Y STE M F OR THE STATES OF POW ER NET WORK111122M iao S h ihong W ang S haorong L iu P ei Cheng S h ij ie F u W eisheng W ang J ianx iong; 11H uazhong U niversity of Science and T echno logy W uhan 430074Ch ina ; 21H unanP rovince E lectric Pow er D ispatch ing Comm unicati on Bureau Ch

17、angsha 410007Ch ina Abstract Synch ronizati on of the real 2ti m e monito ring fo r the states of pow er system is difficult in the po st fo r the reason that a common h igh accuracy ti m e base is required fo r substati ons and pow er p lants that are far apart situated . T he global po siti oning

18、system ; GPS p rovides a pow erful too l to realize it . T h is paper p ropo ses a new state monito ring system based on GPS . W ith the base p rovided by the GPS receiver real 2ti m e states are samp led and trans m itted to the dispatch ing center of the pow er system . T he states included in th is system are vo ltages ; phase and m agnitude of the key buses the pow er flow ; active pow er and reactive pow er in the trans m issi on lines a